TUGAS AKHIR – TM141585
REVIEW DAN ANALISA SISTEM MONITORING PADA WIDYA WAHANA V
HISYAM FIKRIY 2111100073
Dosen Pembimbing
Dr.Ir. Muhammad Nur Yuniarto
PROGRAM STUDI SARJANA JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
TUGAS AKHIR – TM141585
REVIEW AND ANALISYS OF MONITORING SYSTEM WIDYA WAHANA V
HISYAM FIKRIY 2111100073
Faculty Advisor
Dr.Ir. Muhammad Nur Yuniarto
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OH INDUSTRIAL TECHNOLOGY
SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA
iii
Nama Mahasiswa : Hisyam Fikriy
NRP : 2111 100 073
Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS
Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Muhammad Nur Yuniarto
ABSTRAK
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya (ITS) adalah salah satu perguruan tinggi negeri yang berbasis teknologi terbaik di Indonesia. ITS memiliki peranan cukup penting dalam bidang teknologi yaitu teknologi otomotif di Indonesia. Pada tahun 2013 dan 2015 ini, Institut Teknologi Sepuluh Nopember telah membuktikan bahwa Indonesia dapat membuat mobil dengan tenaga surya dan berajang di perlombaan tingkat Internasional yaitu World Solar Challenge. Pada perlombaan tersebut mengharuskan mobil bertenaga untuk menempuh jarak sejauh 3000 km dari Kota Darwin sampai Kota Adelaide tanpa bantuan pengisian daya. Tim Widya Wahana IV hanya mampu menghasilkan jarak tempuh sejauh 784 km dari 3000 km. Salah satu kendala yang terjadi pada Widya Wahana IV adalah tidak terdapat sistem monitoring agar tim saat dapat memanajemen energi tiap harinya sedangkan pada Widya Wahana V sudah terdapat sistem monitoring sehingga hasil jarak yang ditempuh meningkat dari tahun 2013 yaitu 1683 km dari 3000 km. Melalui laporan Tugas Akhir ini, didokumentasikan sistem keseluruhan dari sistem monitoring berupa hardware dan software yang digunakan pada Widya Wahana V sehingga mendapatkan data akurat secara real-time yang terjadi didalam mobil selama perlombaan World Solar Challenge.
Dalam tugas akhir ini perancangan sistem monitoring disesuaikan dengan kebutuhan dan spesifikasi pada mobil Widya Wahana V. Sensor DHAB dan voltage devider merupakan
hardware yang berfungsi sebagai pengukur arus dan tegangan. Modul Radio dan antena merupakan hardware pada sistem telemetri. STM32F3 Discovery Board merupakan hardware yang berfungsi sebagai central processing unit. Pada tugas akhir ini juga akan dirancang software khusus yang ditanam pada hardware sehingga data dapat diolah. Hasil olahan akan ditampilkan pada display pada mobil Widya Wahana V dan display laptop.
Pada tugas akhir Review dan Analisa Sistem Monitoring Pada Widya Wahana V ini didapatkan hasil dokumentasi rancangan dengan 1 software utama dan 15 hardware utama pada sistem monitoring Widya Wahana V, dokumentasi data real-time tiap detik pada sistem monitoring Widya Wahana V selama lomba World Solar Challenge 2015, dan terdapat 4 analisa sistem monitoring Widya Wahana V.
v
Nama Mahasiswa : Hisyam Fikriy
NRP : 2111 100 073
Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS
Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Muhammad Nur Yuniarto
ABSTRACT
Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya (ITS) is one universities based the best technology in indonesia .Its having the role of very important in technology technology called automotive in indonesia .In 2013 and 2015, Sepuluh Nopember Institute of Technology has proved that could make a car with solar cell and perform in a race international level that is World Solar Challenge .In the race requires car power to take the distance of 3000 km from the town of Darwin until Adelaide without the aid of charging power .Team Widya Wahana IV only capable of producing mileage as far as 784 km from 3000 km . One of the obstacles in Widya Wahana IV is there is no monitoring system that the team when can managing energy every day while in Widya Wahana V there had been monitoring system so that the result of the distance traveled increased from year 2013 is 1683 km from 3000 km .Through in final task this report, documented the whole of monitoring system of hardware and software used in widya the v so getting accurate data in real-time occurring in the car during the race world solar challenge.
In final task of this design monitoring system adapted to reflect the needs and specification to car widya the v.Sensors dhab and voltage devider is hardware that serves as a measuring the stream and voltage.Module radio and antennae is hardware on a system telemetry. STM32F3 discovery board is hardware that serves as the central processing unit.On their work end of this will also be designed software special planted in hardware so that data
can be processed.Processing the will be displayed in display to car widya the v and display laptop.
In this final task Review and Analysis of Monitoring System Widya Wahana V showed documentation of design monitoring system Widya Wahana V with 1 major software and 15 major hardware, documentation of real-time data per second monitoring system Widya Wahana V during the race in World Solar Challenge 2015, and there are 4 analysis of monitoring system Widya Wahana V.
vii
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas anugerha, berkah, dan hidayah-Nya laporan Tugas Akhir yang berjudul “Review dan Analisa Sistem Monitoring pada Widya Wahana V” ini dapat diselesaikan.
Dalam kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada:
1. Bapak Dr.Ir.Muhammad Nur Yuniarto selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan serta pelajaran selama pembuatan dan penyelesaian mobil Widya Wahana V, selama perlombaan World Solar Car 2015, dan juga dalam Tugas Akhir ini. 2. Orang Tua serta seluruh keluarga yang telah banyak
memberikan dukungan moral.
3. Seluruh Tim ITS Solar Car Racing Team 2015 khususnya Jordy dan Seno yang telah banyak membantu dalam pembuatan Tugas Akhir ini.
4. Bengkelerz 2011 yang selalu memberi semangat dan dukungan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
5. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-satu. Penulis menyadari bahwa laporan Tugas Akhir ini masih belum sempurna, baik dari analisis yang penulis lakukan maupun dalam penulisan laporan. Semoga laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis khususnya.
ix
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
ABSTRAK ... iii
ABSTRACT ... v
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR TABEL ... xvii
BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 3 1.3 Batasan Masalah ... 3 1.4 Tujuan Penulisan ... 3 1.5 Manfaat Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Pendahuluan ... 5
2.2 Penelitian Terdahulu ... 5
2.2.1 Solar Car Power Monitoring System ... 5
2.2.2 Wireless Telemetry System for Solar car ... 6
2.2.2.1 Over-current & Over-voltage Protection Devices 8 2.2.2.2 RPM Measurement ... 8
2.2.2.3 Current Measurements ... 9
2.2.2.4 Voltage Measurements ... 10
2.2.2.6 GPS Receiver ... 10
2.2.2.7 Wireless Module ... 10
2.2.2.8 SBC Program ... 11
2.2.2.9 Remote Laptop Program ... 12
2.3 Dasar Teori ... 12
2.3.1 Solar Car ... 12
2.3.1.1 Sel Surya ... 13
2.3.1.2 Maximum Power Point Trackers (MPPT) ... 14
2.3.1.3 Battery Management System ... 16
2.3.1.4 Baterai ... 17
2.3.1.5 Motor Controller ... 18
2.3.1.6 Motor Listrik ... 18
2.3.2 Sistem Pengukuran Arus Dan Tegangan ... 19
2.3.2.1 Sensor DHAB ... 20
2.3.2.2 Voltage Devider ... 22
2.3.3 Sistem Telemetri ... 23
2.3.3.1 Modul Radio XBEE ... 24
2.3.3.2 Modul Radio 3DR ... 24 2.3.3.3 Antena ... 25 2.3.3.3.1 Antena Omni ... 25 2.3.3.3.2 Antena Corner ... 26 2.3.4 Mikrokontroller ... 27 2.3.5 Sistem Display... 27 2.4 Sistem Komunikasi ... 28
2.4.1 Komunikasi Serial dan Paralel ... 28
2.4.2 Jalur CAN ... 29
2.5 Perangkat Pendukung ... 30
2.5.1 Multimeter ... 30
2.5.2 CAN Reader ... 31
BAB III METODOLOGI PERCOBAAN ... 33
3.1 Flowchart Tugas Akhir Sistem Monitoring ... 33
3.2 Review ... 34
3.3 Hasil Review ... 34
3.4 Analisa Sistem Monitoring ... 34
3.5 Kesimpulan dan Saran ... 34
BAB IV HASIL DAN ANALISA ... 35
4.1 Sistem Monitoring ... 35
4.2 Flowchart Perancangan Sistem Monitoring ... 36
4.2.1 Identifikasi Parameter ... 37
4.2.2 Identifikasi Permasalahan... 37
4.2.3 Studi Literatur ... 37
4.2.4 Verfikasi dan Validasi ... 38
4.2.5 Data Hasil Sistem Monitoring ... 38
4.3 Hasil Review ... 38
4.3.1 Sistem Monitoring Widya Wahana V ... 38
4.3.2 Perincian Sistem Monitoring Widya Wahana V ... 41
4.3.2.1 Sistem Pengambilan Data ... 41
4.3.2.1.2 Pengambilan Data pada BMS ... 43
4.3.2.1.3 Pengambilan Data pada MPPT ... 44
4.3.2.1.4 Board Pengambilan Data (Joulemeter) ... 45
4.3.2.2 Sistem Penampilan Data pada Layar LCD ... 47
4.3.2.3 Sistem Pengiriman dan Penerimaan Data... 49
4.3.2.3.1 Board Sistem Pengiriman Data (Xbee) ... 49
4.3.2.3.2 Antena ... 51
4.3.2.4 Sistem Penampilan Data pada Display Laptop .. 54
4.4 Data Hasil Monitoring ... 58
4.5 Analisa Sistem Monitoring ... 61
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 65
5.1 Kesimpulan ... 65 5.2 Saran ... 66 DAFTAR PUSTAKA ... 67 LAMPIRAN ... 69 BIODATA PENULIS ... 135
xiii
Gambar 2.1 Power system of solar car (Siti Choirun Nisa, 2014) 5 Gambar 2.2 Ideal Design (Team UA Solar Racing Team, 2010) . 6 Gambar 2.3 Block diagram of Solar Jackets Telemetry System
(Heather Chang dan kawan-kawan, 2010) ... 7
Gambar 2.4 Current Measurement (Heather Chang dan kawan-kawan, 2010) ... 9
Gambar 2.5 Update console display of collected data (Heather Chang dan kawan-kawan 2010) ... 12
Gambar 2.6 Sel Surya (SOLBIAN) ... 13
Gambar 2.7 Typical 75W PV module power/voltage/current at standard test condition (Siti Choirun Nisa, 2014)... 15
Gambar 2.8 Contoh Baterai Li-ion (Panasonic) ... 17
Gambar 2.9 Motor listrik beserta kontroller (MITSUBA) ... 19
Gambar 2.11 Sensor DHAB (LEM) ... 21
Gambar 2.12 Principle of the open loop transducer (LEM) ... 22
Gambar 2.13 Rangkaian umum voltage devider (Wikipedia) ... 22
Gambar 2.14 Modul Radio Xbee (Digi International) ... 24
Gambar 2.15 Modul radio 3DR (3DR Radio) ... 24
Gambar 2.16 Antena Omni ... 26
Gambar 2.17 Corner-reflector antenna ... 26
Gambar 2.18 Corner-reflector antenna horizontal-plane pattern ... 27
Gambar 2.19 Topologi CAN (Grangsang Sotyaramadhani 2014)
... 29
Gambar 2.20 Multimeter ... 31
Gambar 2.21 CAN Reader ... 31
Gambar 3.1 Flowchart Tugas Akhir Sistem Monitoring ... 33
Gambar 4.1 Flowchart Perancangan Sistem Monitoring... 36
Gambar 4.2 Perancangan Sistem Monitoring Internal pada Widya Wahana V ... 38
Gambar 4.3 Perancangan Sistem Monitoring Eksternal pada Mobil Escort ... 41
Gambar 4.4 Skema pengambilan data kontroller ... 41
Gambar 4.5 Program Scanning Data Kontroller ... 42
Gambar 4.6 Skema pengambilan data BMS ... 43
Gambar 4.7 Program Scanning Data BMS... 43
Gambar 4.8 Skema pengambilan data MPPT ... 44
Gambar 4.9 Program Pengolahan Data MPPT ... 45
Gambar 4.10 Skema Board Joulemeter ... 46
Gambar 4.11 Salah Satu Program Joulemeter ... 47
Gambar 4.12 Skema penampilan data pada LCD ... 47
Gambar 4.13 Program Display LCD ... 48
Gambar 4.14 Desain Display LCD ... 49
Gambar 4.15 Skema pengiriman data ... 49
Gambar 4.16 Program Xbee ... 50
Gambar 4.17 Skema Board Xbee ... 51
Gambar 4.19 (a) Tampak depan dan (b) Tampak atas antena
corner reflector ... 54
Gambar 4.20 Salah Satu Program pada Sistem Penampilan Data ... 56
Gambar 4.21 Mendesain Tampilan Menggunakan Software Qt . 57 Gambar 4.22 Perancangan Display 1 pada Laptop ... 57
Gambar 4.23 Perancangan Display 2 pada Laptop ... 58
Gambar 4.24 STM32F3 Discovery Board... 63
xvii
Tabel 4.1 Dimensi antena Corner Reflector untuk UHF dan VHF ... 52 Tabel 4.2 Sebagian Data Hasil Monitoring 1 Pada Hari Pertama 59 Tabel 4.3 Sebagian Data Hasil Monitoring 2 Pada Hari Pertama 60 Tabel 4.4 Analisa Sistem Monitoring ... 61
1 1.1 Latar Belakang
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya (ITS) adalah salah satu perguruan tinggi negeri yang berbasis teknologi terbaik di Indonesia. ITS memiliki peranan cukup penting dalam bidang teknologi yaitu teknologi otomotif di Indonesia. Pada tahun 2013 dan 2015 ini, Institut Teknologi Sepuluh Nopember telah membuktikan bahwa Indonesia dapat membuat mobil dengan tenaga surya dan berajang di perlombaan tingkat Internasional yaitu World Solar Challenge di Australia dengan mobil bertenaga surya yang bernama Sapu Angin Surya atau dapat disebut Widya Wahana.
World Solar Challenge adalah ajang dimana negara-negara di seluruh dunia bersaing dalam memanajemen energi pada mobil bertenaga surya. Pada perlombaan tersebut mengharuskan mobil bertenaga untuk menempuh jarak sejauh 3000 km dari Kota Darwin sampai Kota Adelaide tanpa bantuan pengisian daya. Berbagai kendala dan kesulitan dialami Tim Widya Wahana IV sehingga menyebabkan hasil yang kurang maksimal yang hanya menempuh jarak 784 km dari 3000 km dan sisanya dengan bantuan trailer. Salah satu kendala yang terjadi pada Widya Wahana IV adalah tidak terdapat sistem monitoring agar tim saat itu dapat memanajemen energi tiap harinya sedangkan pada Widya Wahana V sudah terdapat sistem monitoring sehingga hasil jarak yang ditempuh menigkat dari tahun 2013 yaitu 1683 km dari 3000 km.
Gambar 1.1 Widya Wahana V
Dalam usaha mendapatkan hasil data real-time yang baik, maka sistem monitoring yang dirancang diharuskan sesuai dengan kondisi kendaraan tersebut. Berdasarkan hasil penelitian terdahulu yang ditulis oleh UA Solar Racing Team (2010) bahwa sistem yang dibuat dan digunakan oleh tim tersebut harus sesuai dengan kondisi kendaraan, pengambilan data secara keseluruhan masih kurang, akurasi yang didapat saat penelitian 95% dari nilai sebenarnya dan data yang dikirim hanya mencapai 1,5 mil. Sedangkan hasil penelitian Heather Chang dan kawan-kawan (2010) sistem yang digunakan untuk mengirim data yaitu menggunakan wireless telemetry dan data yang didapat hampir sempurna hanya kurang pada pembacaan arus yang kurang teliti. Melalui laporan Tugas Akhir ini, didokumentasi sistem keseluruhan dari sistem monitoring berupa hardware dan software yang digunakan pada Widya Wahana V sehingga mendapatkan data akurat secara real-time yang terjadi didalam mobil selama perlombaan World Solar Challenge 2015 dan hasil review dan analisa sistem monitoring pada Widya Wahana V.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana dokumentasi rancangan software dan hardware sistem monitoring Widya Wahana V
2. Bagaimana dokumentasi data real-time sistem monitoring Widya Wahana V
3. Bagaimana tinjauan dan analisa rancangan sistem monitoring Widya Wahana V
1.3 Batasan Masalah
Dalam penelitian ini permasalahan dibatasi pada:
1. Data real-time didapat pada saat perlombaan World Solar Challenge 2015
1.4. Tujuan Penulisan
Tujuan dari tugas akhir ini adalah:
1. Mendokumentasikan hasil rancangan software dan hardware sistem monitoring Widya Wahana V
2. Mendokumentasikan hasil data real-time sistem monitoring Widya Wahana V
3. Meninjau dan menganalisa hasil rancangan sistem monitoring Widya Wahana V
1.5. Manfaat Penulisan
Manfaat dari tugas akhir ini adalah:
1. Menjadi acuan saat perlombaan berlangsung
2. Dapat memprediksi target harian dari Widya Wahana V 3. Tim ITS Solar Car Racing Team 2017 mengetahui hasil
review dan analisa kekurangan sistem monitoring pada Widya Wahana V
5 2.1 Pendahuluan
Pada dasarnya prinsip kerja mobil tenaga surya hampir sama denga prinsip kerja mobil listrik, hanya berbeda beberapa hal. Perbedaan yang paling utama adalah pada mobil listrik pengisian daya baterai menggunakan sumber listrikberupa listrik PLN ataupun semacamnya, sedangkan pada mobil tenaga surya pengisian daya baterai menggunakan sel surya yang dimana sel surya tersebut mengubah energi surya dari matahari menjadi energi listrik. Mobil listrik ataupun mobil tenaga surya terdiri dari dua subsistem dalam sistemnya, motor listrik sebagai penggerak mobil dan platform kendaraan. Komponen utama dalam mobil tenaga surya yaitu sel surya, MPPT (Maximum Power Point Tracking), baterai, controller, dan motor listrik.
Gambar 2.1 Power system of solar car (Siti Choirun Nisa, 2014) 2.2 Penelitian Terdahulu
2.2.1 Solar Car Power Monitoring System
Team UA Solar Racing Team (2010) menjelaskan bahwa telah merancang, membangun, dan menguji sistem monitoring untuk mobil UA Solar Racing Team. Sistem secara keseluruhan diuji untuk memastikan setiap komponen kompatibel dan bekerja seperti yang dirancang ketika seluruhnya terintegrasi ke dalam kendaraan. Melalui serangkaian analisis dan pengujian dengan data-data yang telah diketahui disetiap bagian dari sistem diverifikasi untuk memenuhi tujuan penggunaan sistem monitoring.
Terdapat dua sistem yang dikembangkan yaitu: sebuah sistem untuk mengevaluasi aspek mekanik rolling resistance
melalui wheel alignment, dan sistem monitoring listrik untuk mengevaluasi sistem tenaga kendaraan.
Gambar 2.2 Ideal Design (Team UA Solar Racing Team, 2010) Sistem yang dibuat oleh Team UA Solar Racing Team memiliki ketentuan yaitu pertama sistem harus dapat memonitoring kondisi kendaraan dalam akurasi 95% dari nilai yang sebenarnya, merekam dan mengakses melalui sistem telemetri digital secara real time. Dan kedua sistem Telemetri memiliki jarak radius berkisar setidaknya 1,5 mil.
2.2.2 Wireless Telemetry System for Solar car
Heather Chang dan kawan-kawan (2010) menyatakan bahwa sistem monitoring adalah subsistem dari desain mobil surya secara keseluruhan, yang meliputi unit untuk pengelolahan energi dari sel fotovoltaik, untuk mekanisme kendaraan, dan untuk kontrol motor. Sedangkan telemetri Sistem adalah, perangkat pemantauan jarak jauh yang mengumpulkan dan mengirimkan data penting penting dari sensor dengan daya rendah dan pengendali dalam mobil surya melalui link nirkabel. Data yang didapatkan ini mencakup tegangan baterai dan arus, tegangan motor controller dan arus, suhu lingkungan indoor dan outdoor, dan kecepatan kendaraan. Sebuah komputer single-board memperoleh dan
memproses sinyal dari sensor dan kontroller dan mengirimkannya ke kendaraan menggunakan standar IEEE 802.11.
Desain kami mampu mengukur sinyal yang disebutkan di atas, kecuali arus. Model yang digunakan saat ini memiliki tegangan output yang terlalu kecil untuk membaca ADC. Dan juga layar LCD untuk pengemudi tidak bisa diprogram karena kendala waktu. Data yang disediakan oleh sistem akan memungkinkan tim untuk dukungan mengembangkan strategi dan memantau kinerja mobil dari luar mobil.
Gambar 2.3 Block diagram of Solar Jackets Telemetry System (Heather Chang dan kawan-kawan, 2010)
Solar Jackets telemetry system terdiri dari tiga komponen penting. Komponen pertama adalah pengumpulan data, yang dilakukan dalam beberapa cara berbeda. Informasi tentang suhu yang dikumpulkan dari sensor analog yang ditempatkan di seluruh mobil surya sementara tegangan diukur menggunakan rangkaian voltage devider. Komponen kedua dari sistem telemetri adalah komputer onboard, yang merupakan single-board computer (SBC) yang dijalankan Linux. Komputer ini mengumpulkan dan memproses semua data dari komponen-komponen sebelumnya.
Komponen terakhir dari sistem telemetri adalah wireless antara komputer onboard dengan laptop portabel. Gambar 2.3 merangkum komponen utama dan interface yang digunakan dalam desain kami.
2.2.2.1 Over-current and Over-voltage Protection Devices sinyal analog keluaran dari sensor dengan ADC (MAX1299) atau SBC, sinyal tersebut dijalankan melalui sepasang menjepit dioda (1N4001) dan op amp buffer (LMC6484). Penjepit dioda melindungi ADC dan SBC sebagai masukan dari DIO lines dari SBC yang hanya menerima rentang dari 0 sampai 3.3V. Tegangan lonjakan di sirkuit mungkin secara tidak sengaja yang disebabkan oleh ESD (electrostatic discharge) dari pengguna atau komponen dengan sirkuit pendek.
CMOS quad rail-rail op amp (LMC6484) digunakan sebagai penyangga sebelum memberikan sinyal ke input pin DIO1 atau ADC. Memiliki impedansi input yang tinggi dan impedansi output yang rendah, buffer memungkinkan komponen yang akan teraliri. Interfacing output dari RPM-circuit dengan salah satu DIO1 line tanpa op amp, menyebabkan arus lebih tinggi. Akibatnya, output dari rpm-circuit tidak mencapai output tegangan tinggi (2.4V - 3.3V) yang diakui oleh SBC.
2.2.2.2 RPM Measurement
A1120 adalah unipolar Hall Effect sensor yang digunakan untuk pengukuran kecepatan mobil. Output rata-rata dari RPM-circuit tanpa magnet adalah 2.8V. Kode SBC menghitung jumlah Low dalam rentang waktu tertentu untuk menghitung RPM. Kemudian kecepatan mobil dapat dihitung dengan skala pengukuran RPM dengan mengetahui lingkar roda. Secara fisik, magnet akan ditempatkan di salah satu bagian depan (non-motor) roda sementara sensor hall-efek akan ditempatkan pada mobil surya dekat dengan roda.
2.2.2.3 Current Measurements
Empat set Hass 200-S digunakan untuk mengukur arus di empat lokasi yang berbeda di mobil surya. Satu mengukur arus DC mengalir antara baterai dan motor controller. Tiga unit tambahan yang digunakan untuk mengukur arus tiga fase antara kontroler motor dan motor (Gambar 3). Terminal negatif baterai digunakan sebagai dasar untuk semua pengukuran.
Sensor Hall Effect sebagai loop terbuka, sedangkan Hass 200-S digunakan untuk mengukur medan magnet. Diukur kemudian dikonversi ke tegangan. Tegangan output memasuki salah satu terminal negatif dari op amp (LMC6484), sebelum dimasukkan ke dalam 12-bit ADC (MAX11633) di mana tegangan output dikonversi ke nilai biner di antara 0 dan 2 -1 . Setelah itu dimasukkan ke ADC, Single Board Computer sebagai kode untuk mengkonversi nilai biner kembali ke tegangan asli yang masuk ADC. Nilai tegangan ini kemudian dikonversikan kembali. Flowchart di bawah ini menunjukkan proses pengukuran.
Gambar 2.4 Current Measurement (Heather Chang dan kawan-kawan, 2010)
Metode ini bila digunakan untuk mengukur arus memiliki satu masalah. Tegangan keluaran dari sensor arus sangat kecil sehingga ADC tidak dapat mengenalinya.
2.2.2.4 Voltage Measurements
Tegangan diukur dengan menggunakan voltage devider. Gambar di bawah menunjukkan rangkaian voltagedevider digunakan untuk pengukuran tegangan DC yang keluar dari baterai.
2.2.2.5 Temperature
MAX129 9 adalah sensor suhu yang digunakan dengan output-an nilai biner, yang dibaca sebagai integer oleh SBC. SBC diprogram untuk membagi bilangan bulat dengan angka 8, sebagai pengaturan resolusi suhu. Karena output dalam satuan Kelvin, SBC diprogram untuk mengkonversi skala ke Fahrenheit. Sensor suhu dikonfigurasi dengan SBC melalui SPI bus.
2.2.2.6 GPS Receiver
GlobalSat Bu-353 GPS sebagai penerima yang terhubung ke komputer onboard melalui koneksi USB. Penerima GPS ini memungkinkan posisi dalam mengumpulkan informasi mengenai bujur, lintang, dan ketinggian mobil surya. Setelah terhubung, penerima menghasilkan data menggunakan protokol standar industri (NMEA 0183). Data ini disimpan dan diteruskan pada link nirkabel melalui kode yang ditulis pada SBC. GPS menerima output pengukuran setiap detik.
2.2.2.7 Wireless Module
Modul nirkabel yang digunakan pada SBC adalah USB adapter Asus Wireless-G. Modul ini memungkinkan SBC untuk tergabung dengan jaringan nirkabel yang juga dapat terhubung dengan laptop. IEEE 802,1 1g standar nirkabel yang digunakan beroperasi pada frekuensi 2.4G Hz, dan memungkinkan kecepatan transfer data hingga 56 Mbps. Standar ini tersebar luas dan
dibangun untuk hampir setiap laptop sampai sekarang. Dengan menggunakan standar, maka akan sangat mudah untuk memperluas sistem menggunakan router nirkabel standar dan antena. Spesifik USB adapter Asus menggunakan driver yang didukung oleh produsen SBC (Technologic Systems). Semua driver yang diperlukan dimuat melalui script startup yang diciptakan untuk SBC. Script juga dapat digunakan untuk memberitahu adaptor Asus tentang yang jaringan nirkabel untuk digabungkan.
Dengan menciptakan jaringan nirkabel ini, jaringan pemrograman terhubung socket yang tersedia untuk digunakan pada SBC. Baik koneksi dengan laptop jarak jauh bisa digunakan, atau datagrams individu dapat dikirim dari SBC ke port tertentu melalui port tertentu. Selain digunakan untuk menyiarkan data yang dikumpulkan melalui USB, jaringan nirkabel dapat berguna untuk debugging.
2.2.2.8 SBC Program
Hanya ada satu program yang diperlukan untuk sistem telemetri untuk memulai pengumpulan dan penampilan data. Program ini ditulis dalam bahasa C, dan berjalan beberapa proses sekaligus dalam satu lingkaran. Program ini mengumpulkan data dari masing-masing sumber dan akhirnya dijadikan satu dengan dipisahkan koma string yang berisi semua data real-time. Data ini dibuat setiap detiknya dan ditampilkan ke laptop. Data tersebut juga disimpan ke USB flash drive yang dipasang di SBC sepanjang durasi program.
Baik dari ADC dan sensor suhu yang terhubung ke SBC melalui serial perifer (SPI) bus. Meskipun ada yang dibuat dengan fungsi SPI pada SBC, bus ini dibuat menggunakan "bit-banging" dari DIO pada SBC. Banyak keandalan dan kustomisasi masalah yang dihadapi ketika mencoba untuk menggunakan fungsi SPI.
2.2.2.9 Remote Laptop Program
Program remote laptop adalah program yang sangat sederhana yang dapat digunakan untuk memantau dan menyimpan data yang ditampilkan oleh SBC. Program ini telah dikembangkan untuk digunakan pada Linux; Namun, program serupa bisa dengan mudah dibuat untuk digunakan di platform lain. Program ini pada dasarnya adalah "listening" server yang menunggu data masuk pada port tertentu. Setiap kali data baru dari SBC diterima, data diperbarui pada layar yang ditunjukkan pada Gambar 2.5. Data juga disimpan ke file CSV pada laptop. File CSV ini kemudian bisa dilihat dengan menggunakan program seperti Excel atau Matlab untuk perhitungan dan grafik.
Gambar 2.5 Update console display of collected data (Heather Chang dan kawan-kawan 2010)
2.3 Dasar Teori 2.3.1 Solar Car
Mobil Surya “Solar Car” Mobil tenaga surya atau tenaga matahari, adalah jenis
kendaraan listrik yang menggunakan tenaga matahari sebagai sumber utama energinya. Energi matahari ditangkap dengan menggunakan sel surya kemudian diteruskan ke maximum power point trackers (MPPT). Setelah masuk MPPT, energi tersebut
dimasukkan ke dalam paket baterai. Energi dari baterai digunakan untuk menggerakkan motor listrik yang dikontrol oleh motor controller untuk memutar roda. Dilengkapai dengan alat control pengatur kecepatan maka mobil ini dapat melaju sesuai dengan kecepatan sesuai dengan kecepatan yang dirancang.
2.3.1.1 Sel Surya
Sebuah sel surya, atau sel fotovoltaik, adalah perangkat listrik yang mengubah energi cahaya langsung menjadi listrik oleh efek fotovoltaik, yang merupakan fenomena fisik dan kimia. Sumber dari sel surya bisa berupa sinar matahari ataupun cahaya buatan. Sel surya digunakan sebagai photodetektor (misalnya detektor inframerah), mendeteksi cahaya atau radiasi elektromagnetik lainnya di dekat kisaran terlihat, atau mengukur
intensitas cahaya.
Sel photovoltaic (PV) membutuhkan atribut dasar yaitu Penyerapan cahaya, menghasilkan baik pasangan elektron dan pemisahan pembawa muatan dari jenis yang berlawanan.
Gambar 2.6 Sel Surya (SOLBIAN)
Sel surya yang digunakan pada Widya Wahana V adalah sel surya dari produk SOLBIAN dengan tipe FLEX SP137. SOLBIAN FLEX SP137 memiliki spesifikasi seperti pada tabel berikut:
Tabel 2.1 Spesifikasi SOLBIAN FLEX SP137 ELECTRICAL CHARACTERISTICS
Peak Power (+/- 5%) - Pmax 137 W
Rated Voltage - Vmp 24.0 V
Rated Current - Imp 5.7 A
Open Circuit Voltage - Voc 29.1 V Short circuit Current - Isc 6:00 AM
Temp. coeff. Pmax -0.38%/°C
Temp. coeff. Voc -0.27%/°C
Temp. coeff. Isc 0.05%/°C
PHYSICAL CHARACTERISTICS Lenght 1490 mm Width 546 mm Thickness 2 mm Weight 2 kg Num. of cells 44
Efisiensi sel surya dipengaruhi oleh temperatur, jadi sangat penting menjaga suhu sel surya agar tetap pada suhu normal. Oleh sebab itu biasanya harus dilakukan penyemprotan air terhadap sel surya untuk menjaga suhunya. Air memungkinkan untuk menghalangi sinar matahari yang akan masuk ke dalam sel surya, namun kelembapan air itu sendiri jauh lebih penting karena akan meningkatkan 20% array power saat cuaca panas.
2.3.1.2 Maximum Power Point Trackers (MPPT)
Maximum Power Point Tracking atau sering disingkat dengan MPPT merupakan sebuah sistem elektronik yang dioperasikan pada sebuah panel photovoltaic (PV) sehingga panel PV bisa menghasilkan power maksimum. MPPT bukan sebuah sistem tracking mekanik yang digunakan untuk mengubah posisi modul terhadap posisi matahari sehingga mendapatkan energi
maksimum matahari, melainkan sebuah sistem elektronik yang bisa menelusuri titik power maksimum yang bisa dikeluarkan oleh sebuah PV.
Gambar 2.7 Typical 75W PV module power/voltage/current at standard test condition (Siti Choirun Nisa, 2014)
Gambar di atas menunjukkan berapa besar perbedaan arus jika sebuah modul PV 75W menggunakan MPPT ataupun tidak. Jika PV panel dihubungkan langsung pada sebuah baterai, maka power maksimum yang didapat hanya 53Watt pada tegangan 12Volt. Namun jika menggunakan MPPT, power maksimum dapat didapat sebesar 75W pada tegangan 17Volt pada arus maksimum sekitar 4,4Ampere. Sehingga didapatkan arus charge baterai sebesar :
A
A
x
V
V
xI
V
V
ul baterai panel2
,
6
4
,
4
12
17
mod
…(2.1)Dengan kata lain, power maksimum yang didapatkan jika tidak menggunakan MPPT adalah sebesar 70,7%. Power maksimum
dapat didapatkan ketika efisiensi 100% dari sistem, namun tidak ada yang 100% untuk efisiensi aktual saat ini. Power yang didapatkan akan sedikit lebih rendah karena beberapa power yang hilang di kabel, sakering, circuit breakers, dan pada solar boost charge controller.
2.3.1.3 Battery Management System
Battery Management System (BMS) dalam bahasa yang mudahnya adalah sistem pemantauan baterai, namun dalam arti sesungguhnya adalah sistem yang menjaga pada parameter operasional baterai selama pengisian dan pemakaian seperti tegangan, arus, suhu internal dan ambient baterai. BMS biasanya akan memberikan masukan ke perangkat perlindungan yang akan menghasilkan alarm atau melepas baterai dari beban atau salah satu parameter menjadi keluar dari batas.
Sistem seperti ini bukan hanya mencakup pemantauan dan perlindungan terhadap baterai tetapi juga metode untuk menjaga baterai untuk memberikan power penuh ketika dibutuhkan dan untuk metode memperpanjang hidupnya. Ini mencakup segala sesuatu dari mengendalikan rezim pengisian untuk pemeliharaan
yang direncanakan.
Ada tiga tujuan utama umum untuk semua Sistem Manajemen Baterai:
1. Melindungi sel-sel atau baterai dari kerusakan 2. Memperpanjang umur baterai
3. Menjaga baterai dalam keadaan di mana ia dapat memenuhi kebutuhan fungsional dari aplikasi untuk yang telah ditentukan.
BMS menggunakan protokol komunikasi CAN dan compatible dengan OBD-II. OBD-II adalah standar protokol komunikasi data untuk otomotif. OBD-II untuk komunikasi CAN distandarkan dalam ISO 15765 CAN (250 kBits/s atau 500 kBits/s).
2.3.1.4 Baterai
Baterai adalah perangkat yang terdiri dari dua atau lebih sel elektrokimia yang mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik. Setiap sel memiliki terminal positif atau disebut katoda dan terminal negatif atau anoda. Terminal bertanda positif adalah pada energi potensial listrik lebih tinggi daripada terminal ditandai negatif. Terminal bertanda positif adalah sumber dari elektron ketika terhubung ke sirkuit eksternal yang akan mengalir dan memberikan energi ke perangkat eksternal. Ketika baterai terhubung ke sirkuit eksternal elektrolit bergerak sebagai ion yang memungkinkan reaksi kimia dan akan selesai pada terminal terpisah dan memberikan energi ke sirkuit eksternal. Inilah yang dinamakan gerakan yang ion dalam baterai yang memungkinkan arus mengalir dari baterai untuk melakukan pekerjaan.
Gambar 2.8 Contoh Baterai Li-ion (Panasonic)
Baterai terdapat banyak macamnya, salah satunya adalah baterai Li-ion yang diguanakan dalam Widya Wahana V ini. Baterai ion litium (Baterai Li-ion)dalah salah satu anggota keluarga baterai yang dapat diisi ulang. Di dalam baterai ini, lithium ion bergerak dari elektroda negatif ke elektroda positif saat dilepaskan, dan kembali saat diisi ulang. Baterai Li-ion memakai senyawa litium sebagai bahan elektrodanya, berbeda dengan litium metalik yang dipakai di baterai litium non-isi ulang.
Baterai ion litium umumnya dijumpai pada barang-barang elektronik konsumen. Baterai ini merupakan jenis baterai isi ulang
yang paling populer untuk peralatan elektronik portabel, karena memiliki salah satu kepadatan energi terbaik dan mengalami kehabisan isi yang lambat saat tidak digunakan. Selain digunakan pada peralatan elektronik konsumen, LIB juga sering digunakan oleh industri militer, kendaraan listrik, dan dirgantara.
2.3.1.5 Motor Controller
Motor controller adalah perangkat atau kelompok perangkat yang berfungsi untuk mengatur dalam beberapa cara yang telah ditentukan untuk kinerja motor listrik. Sebuah motor controller dapat termasuk dalam sarana manual atau otomatis untuk memulai dan menghentikan motor, memilih maju atau rotasi terbalik , memilih dan mengatur kecepatan, mengatur atau membatasi torsi, dan melindungi terhadap overloads dan kesalahan. Adapun beberapa tipe motor controller:
2.3.1.6 Motor Listrik
Motor listrik adalah mesin listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Kebalikan dari motor listrik yaitu generator yang mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik. Didalam mode otomotif yang seperti biasa, motor listrik beroperasi melalui interaksi antara medan magnet dari motor listrik dan arus digunakan untuk menghasilkan kekuatan atau bergeraknya motor.
Aplikasi dari motor listrik beragam jenisnya seperti kipas, blower, pompa, peralatan mesin, peralatan rumah tangga, dan disk drive. Motor listrik didukung oleh arus searah (DC) sumber, seperti dari baterai, kendaraan bermotor atau oleh arus bolak-balik (AC) sumber, seperti dari jaringan listrik, inverter atau generator.
Gambar 2.9 Motor listrik beserta kontroller (MITSUBA) 2.3.2 Sistem Pengukuran Arus Dan Tegangan
Pengukuran adalah suatu pembandingan antara suatu besaran dengan besaran lain yang sejenis secara eksperimen dan salah satu besaran dianggap sebagai standar. Dalam pengukuran listrik terjadi juga pembandingan, dalam pembanding- an ini digunakan suatu alat Bantu (alat ukur). Alat ukur ini sudah dikalibrasi, sehingga dalam pengukuran listrikpun telah terjadi pembandingan. Sebagai contoh pengukuran tegangan pada jaringan tenaga listrik dalam hal
ini tegangan yang akan diukur diperbandingkan dengan penunjukkan dari Voltmeter.
Pada pengukuran listrik dapat dibedakan dua hal:
1. Pengukuran besaran listrik, seperti arus (ampere), tegangan (volt), daya listrik (watt), dan lain-lain
2. Pengukuran besaran nonlistrik, seperti suhu, luat cahaya, tekanan, dll.
Dalam melakukan pengukuran, pertama harus ditentukan cara pengukurannya. Cara dan pelaksanaan pengukuran itu dipilih sedemikian rupa sehingga alat ukur yang ada dapat digunakan dan diperoleh hasil dengan ketelitian seperti yang dikehendaki. Juga cara itu harus semudah mungkin, sehingga diperoleh efisiensi
setinggi-tingginya. Jika cara pengukuran dan alatnya sudah ditentukan, penggunaannya harus dengan baik pula. Setiap alat harus diketahui dan diyakini cara kerjanya. Dan harus diketahui pula apakah alat-alat yang akan digunakan dalam keadaan baik dan mempunyai klas ketelitian sesuai dengan keperluannya. Jadi jelas pada pengukuran listrik ada tiga unsur penting yang perlu diperhatikan yaitu:
1. cara pengukuran
2. orang yang melakukan pengukuran 3. alat yang digunakan
Dalam hal ini Widya Wahana V dalam mengetahui arus yang dikeluarkan dalm baterai atau yang digunakan dalam menggerakan motor menggunakan dua macam sensor yaitu sensor ACS dan sensor LEM DHAB. Sedangkan dalam pengukuran tegangan yag tersisa atau yang masih terdapat di baterai menggunakan voltage devider.
2.3.2.1 Sensor DHAB
Sensor ini secara prinsip sama dengan sensor ACS, namun dalam bentuk dan penggunaannya sangat berbeda. Sensor DHAB ini paling cocok untuk DC, AC atau pulse dalam pengukuran arus di daya tinggi dan biasa diaplikasikan dalam otomotif dengan tegangan rendah. Sensor Ini berisi isolasi galvanik antara sirkuit primer (daya tinggi) dan sirkuit sekunder (sirkuit elektronik).
Gambar 2.11 Sensor DHAB (LEM)
Prinsip dari sensor ini adalah loop transduser terbuka menggunakan efek Hall IC. Magnetik induksi B, berkontribusi terhadap munculnya tegangan Hall yang dihasilkan oleh Ip dan arus primer yang akan diukur. Kontrol Ip saat disuplai oleh sumber arus yaitu baterai atau genset (Gambar 2.12). B sebanding dengan:
B (IP) = konstan (a) x IP ...(2.2)
Sehingga tegangan Hall dinyatakan dengan:
VH = (RH / d) x I x konstan (a) x IP ...(2.3) Kecuali untuk IP, semua hal persamaan ini adalah konstan. Oleh karena itu:
VH = konstan (b) x IP ...(2.4)
Sinyal pengukuran VH diperkuat untuk memasok tegangan output pengguna atau arus.
Gambar 2.12 Principle of the open loop transducer (LEM)
2.3.2.2 Voltage Devider
Dalam elektronika, voltage devider atau juga dikenal sebagai potensial devider) adalah sirkuit linear pasif yang menghasilkan tegangan output (Vout) yang merupakan sebagian kecil dari tegangan input (Vin). Voltage devider adalah hasil dari penyebaran tegangan input antara komponen pembaginya. Contoh sederhana dari voltage devider yaitu dua resistor dihubungkan secara seri, dengan tegangan input diterapkan di pasangan resistor dan tegangan output yang muncul dari hubungan antara mereka. Voltage devider umumnya digunakan untuk membuat referensi tegangan, atau untuk mengurangi besarnya tegangan sehingga dapat diukur.
Voltage devider direferensikan ke ground dengan menghubungkan dua impedansi listrik dalam seri, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.13 tegangan input diterapkan di impedansi seri Z1 dan Z2 dan output tegangan Z2. Z1 dan Z2 dapat terdiri dari kombinasi dari unsur-unsur seperti resistor, induktor dan kapasitor. Jika arus dalam kawat output nol maka hubungan antara tegangan input, Vin, dan tegangan output, Vout, adalah:
Vout = (Z2 / (Z1 + Z2)) * Vin ...(2.5) Bukti (menggunakan Hukum Ohm):
Vin = I * (Z1 + Z2) ...(2.6)
Vout = I * Z2 ...(2.7)
I = Vin / (Z1 + Z2) ...(2.8)
Vout = Vin * (Z2 / (Z1 + Z2) ...(2.9) Transfer function (juga dikenal sebagai voltage ratio) dari sirkuit ini adalah:
H = Vout / Vin = Z2 / (Z1 + Z2) ...(2.10) 2.3.3 Sistem Telemetri
Sistem telemetri adalah cara pengukuran jarak jauh yang memanfaatkan sarana telekomunikasi dan sistem komputer untuk pengaksesan data. Pada sistem telemetri, semua informasi data diubah ke dalam bentuk informasi listrik dan diolah secara digital. Dengan demikian pada sistem telemeti, semua transduser, sensor, detektor haruslah mempunyai keluaran yang berbetuk besaran elektrik seperti arus (ampere) atau tegangan listrik (volt).
Pemilihan sistem komunikasi yang dipakai disesuaikan dengan kondisi lingkungan dan pertimbangan biaya. Penggunaan satelit adalah pilihan paling mahal, sedangkan penggunaan gelombang radio relatif paling murah. Dengan teknologi yang sudah ada, sistem komunikasi ini dapat mengirimkan data dan ke stasiun pemantau secara transparan (cepat, tidak ada data yang hilang atau berubah). Dalam hal ini Widya Wahana V memakai gelombang radio sebagai akses pengiriman data dan untuk modul radio yang dipakai adalah modul radio Xbee dan modul radio 3DR.
2.3.3.1 Modul Radio XBEE
Xbee adalah nama merek dari Digi International dalam bentuk modul radio yang kompatibel. Modul radio XBee bisa digunakan dengan minimum koneksi dengan power supply 3.3 V. Modul ini dikonfigurasi untuk pengiriman jarak jauh tanpa kabel yang dapat diandalkan.
Gambar 2.14 Modul Radio Xbee (Digi International) 2.3.3.2 Modul Radio 3DR
The 3DR Radio adalah cara termudah untuk men-setup koneksi telemetri antara APM/Pixhawk dengan perangkat lain semisal laptop. Perangkat ini biasanya memiliki jarak rentang yang lebih baik sejauh 300 m di luar kotak dan dapat diperpanjang untuk beberapa kilometer dengan menggunakan antena.
2.3.3.3 Antena
Perangkat listrik yang mengubah energi listrik menjadi gelombang radio, dan sebaliknya yang disebut antena. Hal ini digunakan pada pemancar radio atau penerima radio. Dalam transmisi, pemancar radio memasok arus listrik berosilasi pada frekuensi radio (yaitu frekuensi tinggi arus bolak-balik (AC)) ke terminal antena dan antena memancarkan energi dari arus gelombang elektromagnetik (gelombang radio). Dalam penerimaan, antena memotong beberapa kekuatan gelombang elektromagnetik untuk menghasilkan tegangan kecil di terminal untuk penerimanya harus diperkuat.
Antena termasuk komponen penting dari semua peralatan yang menggunakan radio. Antena digunakan dalam sistem seperti siaran radio, siaran televisi, radio dua arah, penerima komunikasi, radar, ponsel, dan komunikasi satelit, serta perangkat lain seperti pembuka pintu garasi, mikrofon nirkabel, perangkat berkemampuan Bluetooth, dan jaringan nirkabel komputer.
Biasanya antena terdiri dari susunan konduktor logam (unsur), terhubung elektrik melalui saluran transmisi ke penerima atau pemancar. Elektron dipaksa melalui antena dengan pemancar yang akan membuat medan magnet berosilasi di sekitar elemen antena, sedangkan muatan elektron juga menciptakan medan listrik osilasi sepanjang elemen.
2.3.3.3.1 Antena Omni
Antena omnidirectional termasuk kelas antena yang memancarkan gelombang radio seragam di semua arah dalam satu perangkat, dengan daya radiasi menurun dengan sudut elevasi di atas atau di bawah peragkat dan jatuh ke titik nol pada sumbu antena. Pola radiasi ini sering digambarkan sebagai bentuk donat. Antena omnidirectional banyak digunakan untuk antena penyiaran radio dan di perangkat mobile yang menggunakan radio seperti ponsel, radio FM, walkie-talkie, telepon nirkabel, GPS serta untuk BTS.
Gambar 2.16 Antena Omni 2.3.3.3.2 Antena Corner
Antena terdiri dari satu atau lebih elemen dipole di depan reflektor sudut, disebut antena sudut-reflektor, diilustrasikan pada Gambar 2.17.
Gambar 2.17 Corner-reflector antenna
Antena ini memiliki gain cukup tinggi, namun fitur pola yang paling penting adalah bahwa ke depan (balok utama) gain jauh lebih tinggi daripada arah yang berlawanan. Ini disebut rasio front-to-back dan dijelaskan dalam pola yang ditunjukkan pada Gambar 2.18.
Gambar 2.18 Corner-reflector antenna horizontal-plane pattern 2.3.4 Mikrokontroller
Mikrokontroler dapat disebut sebagai sebuah komputer kecil yang terletak di satu sirkuit terintegrasi yang terdapat inti prosesor, memori, dan masukan diprogram / output. Memori program dalam bentuk Ferroelectric RAM, NOR Flash atau OTP ROM juga sering disertakan chip. Mikrokontroler dirancang untuk aplikasi embedded berbeda dengan mikroprosesor yang digunakan dalam komputer pribadi. Mikrokontroler yang digunakan dalam suatu produk secara otomatis mengkontrol suatu perangkat seperti sistem kontrol mesin mobil, perangkat medis, remote kontrol, dan lain sebagainya.
2.3.5 Sistem Display
Informasi kecepatan, ampere yang digunakan, dan juga informasi voltase baterai sangatlah dibutuhkan dalam mobil surya. Agar driver dapat mengetahui informasi tersebut dari sistem display yang dipasang di dalam kendaraan. Dengan demikian driver dapat menentukan kecenderungan untuk tetap melaju kencang atau melaju lambat dengan melihat sistem display yang telah diberikan. Adapun beberapa syarat dalam membuat sistem display yang baik:
1. Sistem display yang tidak mengganggu driver dalam mengendarai kendaraan
2. Sistem display yang tidak mengganggu pengelihatan driver
3. Sistem display yang mudah untuk dilihat dengan jelas oleh driver
2.3.6 Sistem Operasi Interface
Dalam komputasi, interface yaitu batas dimana dua komponen yang terpisah untuk melakukan pertukaran informasi secara sistem komputer. Pertukaran dapat antara perangkat lunak ataupun perangkat keras komputer. Beberapa perangkat keras komputer seperti layar sentuh dapat mengirim dan menerima data melalui sistem operasi interface.
Dalam penerimaan data, dibutuhkan software yang dapat menampilkan data secara jelas. Software yang dipakai agar sistem operasi interface dapat berjalan yaitu menggunakan software QT dimana software tersebut dapat berjalan disemua platform dan juga menggunakan sistem opensource dengan basis UNIX Linux yang telah dimodifikasi.
2.4 Sistem Komunikasi
2.4.1 Komunikasi Serial dan Paralel
Komunikasi serial ialah komunikasi yang pengiriman datanya per-bit secara berurutan dan bergantian. Komunikasi ini mempunyai suatu kelebihan yaitu hanya membutuhkan satu jalur dan kabel yang sedikit dibandingkan dengan komunikasi paralel. Pada prinsipnya komunikasi serial merupakan komunikasi dimana pengiriman data dilakukan per bit sehingga lebih lambat dibandingkan komunikasi parallel, atau dengan kata lain komunikasi serial merupakan salah satu metode komunikasi data di mana hanya satu bit data yang dikirimkan melalui seuntai kabel pada suatu waktu tertentu. Pada dasarnya komunikasi serial adalah kasus khusus komunikasi paralel dengan nilai n = 1, atau dengan kata lain adalah suatu bentuk komunikasi paralel dengan jumlah
kabel hanya satu dan hanya mengirimkan satu bit data secara simultan. Hal ini dapat disandingkan dengan komunikasi paralel yang sesungguhnya di mana n-bit data dikirimkan bersamaan, dengan nilai umumnya 8 ≤ n ≤ 128.
2.4.2 Jalur CAN
Pada pembahasan di atas telah disampaikan bahwa BMS menyediakan protokol komunikasi berupa protokol CAN atau biasa disebut dengan CAN BUS. Oleh sebab itu penulis merasa perlu untuk menjelaskan lebih detail tentang CAN BUS. CAN BUS adalah protokol komunikasi yang umum digunakan dalam dunia Automotive, hamper seluruh kendaraan saat ini menggunakan protokol komunikasi CAN BUS. Protokol komunikasi tersebut digunakan sebagai jalur komunikasi antar komponen di dalam kendaraan. CAN BUS digunakan pada kendaraan karena memiliki topologi yang sangat sederhana. Berikut adalah gambar topologi CAN BUS.
Gambar 2.19 Topologi CAN (Grangsang Sotyaramadhani 2014) Pada gambar 2.20 dapat diketahui bahwa CAN BUS memiliki dua jalur transmisi data yaitu CAN High (CAN H) dan CAN Low (CAN L) yang menghubungkan titik-titik atau subsystem. Berbeda dengan protokol komunikasi yang lain dimana dua jalur dibedakan menjadi jalur penerima dan jalur pengirim.
Pada CAN BUS jalur CAN H dan CAN L difungsikan sebagai keduanya. Sehingga nilai tegangan pada kedua jalur tersebut sama. Perbedaan sinyal pada kedua jalur tersebut hanya nilai tegangannya saja. Pada CAN H tegangan bernilai positif sedangkan pada CAN L nilai tegangan bernilai negatif.Kedua nilai tersebut akan dibandingkan oleh CAN controller. Hal tersebut membuat protokol CAN BUS menjadi protokol yang handal karena pengaruh intervensi tegangan tidak akan merusak isi informasi yang dikirimkan. Pada sinyal CAN BUS pesan atau informasi dikemas menjadi satu paket. Paket tersebut diidentifikasi dengan menggunakan ID dengan ukuran 11 bit untuk CAN Standard dan 29 bit untuk CAN Extended. Dengan ukuran 11 bit memungkinkan untuk membuat ID yang berbeda sebanyak 2048 ID. Kemudian setiap ID mampu membawa 8 paket data dengan ukuran 8 bit untuk masing-masing data. Dengan jumlah ID sebanyak 2048 ID dan 8 paket data masing-masing berukuran 8 bit, maka CAN BUS mampu mengirim dan menerima data dalam jumlah yang sangat banyak. Kemampuan tersebut juga didukung dengan kecepatan transfer CAN BUS yang mencapai 1 Megabits/s.
2.5 Perangkat Pendukung 2.5.1 Multimeter
Multimeter atau multitester adalah alat pengukur listrik yang sering dikenal sebagai VOM (Volt-Ohm meter) yang dapat mengukur tegangan (voltmeter), hambatan (ohm-meter), maupun arus (amperemeter). Ada dua kategori multimeter: multimeter digital atau DMM (digital multi-meter)(untuk yang baru dan lebih akurat hasil pengukurannya), dan multimeter analog. Masing-masing kategori dapat mengukur listrik AC, maupun listrik DC.
Gambar 2.20 Multimeter 2.5.2 CAN Reader
CAN reader berfungsi sebagai pembaca sinyal komunikasi CAN atau dapat dikatakan lain sebagai alat pendukung pembacaan sinyal CAN. CAN reader akan dihubungkan ke salah satu perangkat BMS ataupun kontroller, dan salah satu sisi lainnya dihubungkan ke laptop. Sinyal CAN dari BMS atau kontroller akan diteruskan ke laptop agar dapat mengetahui informasi dari BMS seperti tegangan tiap sel baterai, suhu pada baterai, dan lain sebagainya.
33
3.1 Flowchart Tugas Akhir Sistem Monitoring
Dalam menyelesaikan tugas akhir ini, disusunlah sejumlah tahapan yang merupakan
langkah – langkah dalam mewujudkan tujuan. Tahapan tersebut dinyatakan dalam diagram alir sebagai berikut:
Gambar 3.1 Flowchart Tugas Akhir Sistem Monitoring Metodologi pelaksanaan tugas akhir ini secara umum dapat dilihat pada flowchart diatas, dimulai dari review sistem monitoring pada mobil Widya Wahana V dan pada mobil escort.
Kemudian dilanjutkan dengan memaparkan hasil review yang telah dilakukan pada tugas akhir ini. Setelah didapat hasil review sistem monitoring, baru dilakukan analisa sistem monitoring pada Widya Wahana V dan pada mobil escort. Langkah terakhir yaitu memberikan simpulan dan saran mengenai hasil review dan analisa sistem monitoring.
3.2 Review
Review sistem monitoring ini dilakukan untuk mengetahui tujuan adanya sistem monitoring, tata cara perancangan sistem monitoring, software dan hardware yang digunakan pada sistem monitoring, dan hasil yang didapat atau data apa saja yang didapat pada sistem monitoring tersebut.
3.3 Hasil Review
Setelah didapatkan apa saja yang di-review, hasil tersebut akan dipaparkan pada tugas akhir ini. Tujuan pemaparan hasil review ini agar salah satu orang atau kelompok yang ingin membuat sistem monitoring ini dapat membuat dengan mudah sesuai hasil review yang telah dipaparkan.
3.4 Analisa Sistem Monitoring
Analisa sistem monitoring yang dilakukan berupa analisa terhadap kekurangan atau kelemahan sistem monitoring pada saat ini.
3.5 Kesimpulan dan Saran
Tahap akhir dari penulisan tugas akhir ini yaitu penarikan kesimpulan berdasarkan hasil review dan analisa sistem monitoring yang telah dilakukan dan pemberian saran agar sistem monitoring selanjutnya lebih baik.
35 BAB IV
HASIL DAN ANALISA
4.1 Sistem Monitoring
Sistem adalah perangkat unsur yang secara teratur saling berkaitan sehingga memnbentuk suatu totalitas. Monitoring adalah pemantauan yang dapat dijelaskan sebagai kesadaran tentang apa yang ingin diketahui dan monitoring akan memberikan informasi tentang status dan evaluasi yang diselesaikan dari waktu ke waktu. Dari arti kata itu maka dapat disimpulkan bahwa tujuan sistem monitoring pada umumnya yaitu memastikan suatu proses yang dilakukan sesuai prosedur yang berlaku sehingga proses berjalan sesuai jalur dan dapat mengidentifikasi hasil yang tidak diinginkan pada suatu proses.
Dari tujuan diatas, maka fungsi sistem monitoring pada mobil Widya Wahana V pada saat perlombaan World Solar Challenge 2015 yaitu untuk mengetahui konsumsi energi yang terjadi pada mobil Widya Wahana V dan dapat memanajemen energi agar mobil tersebut berjalan sesuai dengan yang direncanakan. Parameter-parameter yang dipilih untuk dimonitoring yaitu kecepatan, arus yang terpakai, arus yang masuk, voltase yang tersisa, dan kondisi baterai. Parameter tersebut dipilih karena memperhitungkan konsumsi energi yang terjadi pada mobil Widya Wahana V dan juga memperhitungkan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai tiap control stop pada saat perlombaan.
4.2 Flowchart Perancangan Sistem Monitoring
Gambar 4.1 Flowchart Perancangan Sistem Monitoring Tata cara perancangan sistem monitoring ini secara umum dapat dilihat pada flowchart diatas, dimulai dari identifikasi parameter komponen-komponen yang digunakan. Kemudian
dilanjutkan dengan identifikasi permasalahan apa yang ada pada sistem monitoring, setelah itu baru dilakukan studi literatur mengenai permasalahan-permasalahan yang dihadapi. Setelah mendapatkan studi literatur yang sesuai, maka dilanjutkan menganalisa sistem monitoring. Selanjutnya dilakukan verifikasi dan validasi sistem. Langkah selanjutnnya didapatkan data real-time sistem monitoring.
4.2.1 Identifikasi Parameter
Identifikasi parameter dilakukan untuk mengetahui karakteristik setiap komponen-komponen yang digunakan. Parameter yang diperlukan yaitu:
Output MPPT
Output dan karakteristik BMS Output dan karakteristik kontroller Karakteristik motor listrik
Karakteristik sensor DHAB Karakteristik modul Xbee Karakteristik antena Karakteristik display LCD Karakteristik mikrokontroller
Software beserta pemrograman yang dibuat
4.2.2 Identifikasi Permasalahan
Identifikasi permasalahan dilakukan setelah mengetahui karakteristik tiap komponen yang digunakan. Dimana indentifikasi permasalahan tersebut untuk mengetahui permasalahan tiap komponen yang akan berhubungan.
4.2.3 Studi Literatur
Studi literatur dilakukan denga mempelajari berbagai permasalahan yang timbul serta langkah-langkah dan metode yang dapat dilakukan untuk menyelesaikan permasalahan tersebut. Studi literatur dilakukan untuk mendapatakan referensi terkait topik sejenis buku, jurnal, dan berbagai artikel. Studi literatur yang
dilakukan mempelajari beberapa aspek yaitu konsep mobil surya, sistem monitoring internal mobil, dan sistem telemetri.
4.2.4 Verfikasi dan Validasi
Pada tahap ini analisa sistem monitoring dapat dikatakan hampir selesai, maka diperlukan validasi dan verifikasi. Validasi dan verifikasi dilakukan dengan mensimulasikan sistem monitoring yang dibuat, melihat sistem bekerja sesuai fungsi dan menganalisa input ataupun output pada hardware yang digunakan sesuai parameter yang telah diidentifikasi dengan perangkat pendukung multimeter dan CAN reader. Perangkat pendukung ini hanya untuk pengecekan output ataupun input, sebagai contoh multimeter untuk mengecek output pada MPPT sedangkan CAN reader untuk mengecek output dari BMS dan kontroller.
4.2.5 Data Hasil Sistem Monitoring
Pada tahap terakhir ini didapatkan data secara real-time yang telah sesuai dengan keinginan yang membuat sistem monitoring tersebut.
4.3 Hasil Review
4.3.1 Sistem Monitoring Widya Wahana V
Gambar 4.2 Perancangan Sistem Monitoring Internal pada Widya Wahana V
Keterangan: 1. TFT 4” LCD 2. Mikrokontroller 1 (receiver) 3. Antena Omni 4. Modul Xbee 5. Mikrokontroller 2 (transmitter) 6. Mikrokontroller 3 (transmitter) 7. CAN BUS Junction
8. Panel Surya 9. MPPT 10. Sensor DHAB 11. BMS 12. Baterai 13. Kontroller Motor 14. Motor Listrik
Skema arsitektur pada gambar 4.1 merupakan rancangan yang dapat menjelaskan alur kerja dari sistem monitoring internal pada Widya Wahana V. Sistem penggerak dan sistem penyimpanan energi menyediakan data yang dapat dikumpulkan sebagai informasi performa dari masing-masing komponen pada sistem tersebut. Panel surya mengeluarkan arus listrik menuju MPPT, pada MPPT arus yang mengalir diperkuat/diperbesar semaksilmal mungkin. Kemudian arus keluaran MPPT langsung menuju BMS untuk dialirkan langsung ke baterai. Pada output MPPT terdapat sensor DHAB yang berguna sebagai sensor arus dimana sensor tersebut digunakan untuk mengetahui output dari MPPT yang berupa arus. Sensor DHAB tersebut memiliki karekteristik sebagai berikut yaitu arus yang dapat terbaca berkisar 0-40A dan output berkisar 2,5-5V. Dengan begitu output dari sensor sebelum masuk mikrokontoller diberi pengondisian signal berupa voltage devider agar output yang diberikan sebesar 0-3,3V sesuai dengan karakteristik dari STM32 Discovery Board. BMS dan kontroller memiliki output berupa CAN High dan CAN Low. Komunikasi
data CAN BUS digunakan pada kendaraan karena memiliki topologi yang sangat sederhana. Berikut merupakan gambaran topologi CAN BUS.
Data yang diambil dari BMS yaitu temperatur setiap sel baterai, voltase setiap sel baterai, total voltase dan ampere yang keluarkan maupun yang masuk kedalam baterai, presentase baterai saat charging, dan ampere hour. Pengambilan data BMS untuk sistem monitoring sesuai dengan tampilan pada software BMS. Sedangkan pada kontroller data yang diambil hanya rpm.
Data-data dari MPPT, BMS, dan kontroller akan diolah pada pemgrograman mikrokontroller agar data yang ditampilkan sesuai real-time. Dalam hal ini STM32 Discovery Board atau dapat disebut mikrokontroller berfungsi untuk mengumpulkan data-data tersebut dan mengolahnya. Untuk dapat menjalankan tugas tersebut diperlukan sebuah firmware yang ditanamkan pada STM32 Discovery Board tersebut. Pada tugas akhir ini nantinya firmware akan dibuat dengan menggunakan bahasa C++. Firmware tersebut berfungsi untuk mengaktifkan pin CAN-H, CAN-L, Digital Input, dan UART (TX-RX) pada STM32 Discovery Board. Selain itu firmware tersebut juga harus mampu menterjemahkan tipe data CAN dan tipe data digital output menjadi tipe data serial.
Setelah pengolahan data pada STM32, salah satu STM32 langsung terhubung dengan display LCD pada mobil Widya Wahana tersebut. Data dikirim melalui komunikasi serial dikarenakan karakteristik dari LCD adalah input berupa komunikasi serial, kemudian LCD hanya menampilkan pack voltage, speed, rpm. Pengiriman data ke laptop pada mobil escourt melalui antena Xbee. Xbee memiliki karakteristik yaitu frekuensi kerja pada 900 Mhz, input berupa komunikasi serial, dan jangkauan outdoor sejauh 50 m, sedangkan untuk indoor sejauh 15 m.
Gambar 4.3 Perancangan Sistem Monitoring Eksternal pada Mobil Escort Keterangan : 1. Antena Corner 2. Laptop 3. Modul 3DR 4. Booster Antena
Sedangkan pada gambar 4.3 merupakan rancangan yang dapat menjelaskan alur kerja dari sistem monitoring eksternal pada Widya Wahana V. Cara pengambilan data sama dengan sistem internalnya, hanya saja pengiriman data jarak jauh menggunakan antena pada gambar 4.1 dan diterima menggunakan antena pada gambar 4.2 yang dibuat agar dapat menerima data sejauh 700 m. frekuensi disamakan dengan antena pada mobil Widya Wahana sebesar 420 Mhz. Untuk penggunaan antena booster yaitu sebagai penguat frekuensi pada antena tersebut.
4.3.2 Perincian Sistem Monitoring Widya Wahana V 4.3.2.1 Sistem Pengambilan Data
4.3.2.1.1 Pengambilan Data pada Kontroller
Gambar 4.4 merupakan skema pengambilan data pada kontroller agar data dapat diambil, perlu adanya suatu penghubung antara kontroller dengan board joulemeter yaitu berupa kabel beserta konektor untuk meghubungkan kontroller dengan board. Data yang diambil menggunakan komunikasi CAN BUS.
Gambar 4.5 Program Scanning Data Kontroller
Sedangkan pada gambar 4.5 yaitu program yang ditujukan untuk mengambil data pada kontroller motor berupa kecepatan motor (rpm).
4.3.2.1.2 Pengambilan Data pada BMS
Gambar 4.6 Skema pengambilan data BMS
Gambar 4.6 merupakan skema pengambilan data pada BMS. Agar data dapat diambil, perlu adanya suatu penghubung antara BMS dengan board joulemeter yaitu berupa kabel beserta konektor untuk menghubungkan BMS dengan board. Data yang diambil menggunakan komunikasi CAN BUS.
Gambar 4.7 yaitu program yang ditujukan untuk mengambil data pada BMS. Data yang diambil yaitu temperatur setiap sel baterai, voltase setiap sel baterai, total voltase dan ampere yang keluarkan maupun yang masuk kedalam baterai, presentase baterai saat charging, dan ampere hour.
4.3.2.1.3 Pengambilan Data pada MPPT
Gambar 4.8 Skema pengambilan data MPPT
Gambar 4.8 merupakan skema pengambilan data pada MPPT. Agar data dapat diambil, perlu adanya suatu sensor yang terhubung antara MPPT dengan board joulemeter yaitu sensor arus (DHAB). Data yang diambil menggunakan voltase keluaran pada sensor. Sensor DHAB tersebut memiliki karekteristik sebagai berikut yaitu arus yang dapat terbaca berkisar 0-40A dan output berkisar 2,5-5V. Dengan begitu output dari sensor sebelum masuk mikrokontoller diberi pengondisian signal berupa voltage devider agar output yang diberikan sebesar 0-3,3V sesuai dengan karakteristik dari STM32 Discovery Board. Program pengolahan data MPPT pada gambar 4.9 merupakan program perhitungan data yang didapat dari MPPT seperti perhitungan arus pada keluaran MPPT.
Gambar 4.9 Program Pengolahan Data MPPT 4.3.2.1.4 Board Pengambilan Data (Joulemeter)
Setelah semua alat pengambilan data telah tersedia, maka dibuatlah board joulemeter. Dimana board tersebut berfungsi sebagai penerima data dari BMS, kontroller, dan MPPT dan juga sebagai pengolah data. Sebelum membuat circuit board joulemeter, harus membuat skema elektronik seperti gambar 4.10 agar memudahkan pembuatan circuit board joulemeter.
Gambar 4.10 Skema Board Joulemeter
Board joulemeter memiliki dua bagian yaitu bagian atas dan bagian bawah. Bagian atas dan bagian bawah board sebagian tersambung satu sama lainnya dikarenakan lintasan (circuit) pada board ada beberapa yang bertabrakan. Board tersebut tersambung dengan beberapa komponen pada mobil Widya Wahana V yaitu panel surya, BMS, dan kontroller. Jadi dapat dikatakan bahwa fungsi board joulemeter ini sebagai penghitung arus dari panel surya dan penerima data-data dari BMS dan kontroller.
Board joulemeter hanyalah sebagai alat saja, perlu adanya suatu pemrograman didalam board tersebut. Pada gambar 4.11 merupakan pemrograman didalam board joulemeter yang ditujukan untuk mengolah beberapa data dari BMS agar dapat dibaca berupa ampere yang keluar dan masuk kedalam baterai dan ampere hour.
Gambar 4.11 Salah Satu Program Joulemeter 4.3.2.2 Sistem Penampilan Data pada Layar LCD
Gambar 4.12 Skema penampilan data pada LCD
Gambar 4.12 merupakan skema penampilan data pada LCD. Agar data dapat tertampil dalam LCD, perlu adanya suatu penghubung antara LCD dengan board joulemeter yaitu berupa kabel beserta konektor untuk meghubungkan BMS dengan board
dan juga sebuah arduino yang terpasang dengan LCD untuk menampilkan display yang telah dirancang. Data yang dikirimkan ke LCD menggunakan komunikasi paralel.
Gambar 4.13 Program Display LCD
Dari data-data yang sudah didapatkan, perlu adanya program untuk menampilkan data pada layar LCD pada mobil Widya Wahana V. Dapat terlihat pada gambar 4.13 bahwa program tersebut ditujukan untuk program menampilkan data pada layar LCD dan data yang ditampilkan pada layar LCD yaitu kecepatan, ampere hour, total voltase baterai, voltase tertinggi sel baterai, voltase terendah sel baterai dan temperatur baterai. Program tersebut dimasukkan dalam arduino agar data dapat ditampilkan pada LCD sesuai dengan yang didesain.
Gambar 4.14 Desain Display LCD
Pada gambar 4.14 merupakan display LCD pada mobil Widya Wahana V. Lingkaran tengah merupakan kecepatan mobil Widya Wahana V, samping kanan merupakan total voltase baterai, samping kiri merupakan ampere yang digunakan untuk menggerakan motor listrik, bagian bawah tengah merupakan daya yang terpakai saat perjalanan, bagian bawah kanan merupakan voltase sel baterai tertinggi terendah dan temperatur baterai, dan pada bagian bawah kiri merupakan persentase baterai yang tersisa. 4.3.2.3 Sistem Pengiriman dan Penerimaan Data
4.3.2.3.1 Board Sistem Pengiriman Data (Xbee)
Gambar 4.15 merupakan skema pengiriman data menggunakan antena. Agar data dapat terkirim melalui antena, perlu adanya suatu penghubung antara antena dengan board joulemeter yaitu berupa kabel beserta konektor untuk meghubungkan board joulemeter dengan board Xbee dan juga sebuah modul Xbee untuk menghubungkan board Xbee dengan antena. Data yang dikirimkan dari board joulemeter hingga antena menggunakan komunikasi serial sedangkan antar antena menggunakan gelombang radio.
Gambar 4.16 Program Xbee
Pada board Xbee perlu adanya program dimana program tersebut mengirim data yang diingikan. Gambar 4.16 ditujukan
